출처 : SONOW
공정 그래프로 연결된 실시간 생산라인 디지털 복제
국내 주요 제조업체들이 스마트팩토리 공정 디지털 트윈을 도입하여 생산 효율성과 품질을 혁신적으로 개선하고 있다. 이 시스템은 생산라인의 모든 설비, 로봇, 무인운반차(AGV), 품질관리 장비를 공정 그래프로 연결하여 실시간 생산 현황을 가상공간에 정밀하게 재현한다.
삼성전자 평택캠퍼스 반도체 생산라인에 구축된 디지털 트윈은 총 1,200개의 생산 설비와 850대의 로봇, 320대의 AGV를 실시간으로 모니터링한다. 각 공정 단계별 온도, 압력, 습도, 화학물질 농도 등 15,000여 개 파라미터가 초당 50회 이상 측정되어 디지털 모델에 반영된다.
현대자동차 아산공장에서는 차체 용접라인부터 도장, 최종 조립까지 전체 공정을 디지털 트윈으로 구현했다. 280개 용접 로봇의 동작 궤적, 페인트 분사량, 부품 공급 타이밍까지 모든 작업이 3D 가상환경에서 실시간으로 재현되며, 생산 계획부터 품질 관리까지 통합 관리된다.
레시피 변경 전 가상 튜닝으로 불량률 92% 감소 달성
디지털 트윈의 가장 큰 장점은 실제 생산 투입 전 가상 환경에서의 사전 검증이다. 새로운 제품 레시피나 공정 파라미터 변경 시 디지털 모델에서 먼저 시뮬레이션을 실행하여 최적 조건을 찾아낸다.
LG화학 여수공장에서는 새로운 배터리 셀 제조 레시피를 적용하기 전 디지털 트윈에서 3,000회 이상의 가상 생산을 실시한다. 전극 코팅 두께, 건조 온도, 압연 압력 등의 조건을 0.1% 단위로 미세 조정하여 최적 조건을 도출한다. 이를 통해 실제 양산 시 불량률을 기존 2.3%에서 0.2%로 92% 감소시켰다.
SK하이닉스 이천공장에서는 메모리 반도체 식각 공정의 가스 조성비와 플라즈마 파워를 가상 튜닝으로 최적화한다. 수백 가지 조건 조합을 디지털 환경에서 시험하여 수율을 98.7%까지 끌어올렸다. 실제 웨이퍼를 사용한 시행착오 없이도 최적 조건을 찾을 수 있어 원자재 비용을 연간 45억원 절감했다.
품질 예측 모델도 정교하게 구현되어 있다. 공정 초기 단계의 파라미터만으로도 최종 제품의 품질을 95% 정확도로 예측할 수 있어, 불량이 예상되는 제품은 중간 단계에서 리워크하거나 폐기하여 후공정 비용을 절약한다.
설비 증설과 재배치를 디지털 샌드박스에서 사전 검증
생산 능력 확대나 공정 개선을 위한 설비 증설 시 디지털 트윈은 최적의 레이아웃과 투자 효과를 사전에 검증하는 도구로 활용된다. 실제 공장 건설이나 설비 이전 전에 가상환경에서 다양한 시나리오를 테스트할 수 있다.
포스코 광양제철소에서는 새로운 고로 건설 전 디지털 샌드박스에서 원료 투입부터 출선까지 전체 공정을 시뮬레이션했다. 기존 설비와의 연계성, 물류 동선, 안전성 등을 종합 검토하여 최적의 배치안을 도출했다. 이를 통해 건설비를 15% 절감하고 완공 후 즉시 목표 생산량을 달성할 수 있었다.
두산에너빌리티 창원공장에서는 풍력발전기 블레이드 생산라인 확장 시 로봇 배치와 AGV 경로를 디지털 환경에서 최적화했다. 기존 라인과의 간섭 없이 생산성을 40% 향상시킬 수 있는 레이아웃을 설계하여 실제 적용했다.
생산 계획 변경에 따른 설비 재배치도 효율적으로 수행된다. 제품 믹스 변화나 수요 급증에 대응하여 설비를 재배치할 때 최단 시간에 최대 효과를 낼 수 있는 방안을 디지털 시뮬레이션으로 찾아낸다.
OPC UA, MQTT, ISA-95 표준 기반 통합 운영 체계
스마트팩토리 디지털 트윈의 성공적 운영을 위해서는 다양한 설비와 시스템 간의 원활한 데이터 연동이 필수적이다. 국제 표준인 OPC UA, MQTT, ISA-95를 기반으로 한 통합 아키텍처가 구축되고 있다.
OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)는 서로 다른 제조사의 설비 간 데이터 교환을 위한 표준 프로토콜이다. 지멘스, ABB, 로크웰 등 글로벌 설비업체들의 장비가 혼재된 생산라인에서도 통일된 방식으로 데이터를 수집하고 제어할 수 있다.
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)는 IoT 센서와 디지털 트윈 간의 실시간 통신을 담당한다. 네트워크 불안정이나 일시적 연결 끊김이 발생해도 데이터 손실 없이 안정적인 통신이 가능하다. 특히 AGV나 이동형 로봇의 경우 무선 통신 환경에서도 끊김 없는 데이터 전송이 보장된다.
ISA-95 표준은 제조실행시스템(MES)과 전사자원관리(ERP) 간의 계층적 통합을 정의한다. 현장 레벨의 실시간 데이터가 관리 레벨의 의사결정에 즉시 반영되어 전사적 최적화가 가능하다.
향후 이 시스템은 공급망 전체를 아우르는 디지털 트윈으로 확장될 예정이다. 원자재 공급업체부터 최종 고객까지 전체 밸류체인을 디지털로 연결하여 수요 예측부터 생산 계획, 물류 최적화까지 통합 관리하는 차세대 제조 플랫폼이 구현될 전망이다.